WikiSort.ru - Не сортированное

Механика сплошных сред

Сплошная среда

Классическая механика Закон сохранения массы · Закон сохранения импульса

Теория упругости Напряжение · Тензор · Твёрдые тела · Упругость · Пластичность · Закон Гука · Реология · Вязкоупругость

Гидродинамика Жидкость · Гидростатика · Гидродинамика · Вязкость · Ньютоновская жидкость · Неньютоновская жидкость · Поверхностное натяжение

Основные уравнения Уравнение непрерывности · Уравнение Эйлера · Уравнение Громеки — Лэмба · Уравнение Бернулли · Уравнения Навье — Стокса · Уравнение вихря · Уравнение диффузии · Закон Гука

Известные учёные Ньютон · Гук Бернулли · Эйлер · Коши · Стокс · Навье

См. также: Портал:Физика

Зако́н Гу́ка — утверждение, согласно которому деформация, возникающая в упругом теле (пружине, стержне, консоли, балке и т. п.), пропорциональна приложенной к этому телу силе. Открыт в 1660 году английским учёным Робертом Гуком^[1].

Следует иметь в виду, что закон Гука выполняется только при малых деформациях. При превышении предела пропорциональности связь между напряжениями и деформациями становится нелинейной. Для многих сред закон Гука неприменим даже при малых деформациях.

Закон Гука для тонкого стержня

Для тонкого растяжимого стержня закон Гука имеет вид:

${\displaystyle F=-k\Delta l.}$

Здесь ${\displaystyle F}$  — сила, которой растягивают (сжимают) стержень, ${\displaystyle \Delta l}$  — абсолютное удлинение (сжатие) стержня, а ${\displaystyle k}$ — коэффициент упругости (или жёсткости).

Коэффициент упругости зависит как от свойств материала, так и от размеров стержня. Можно выделить зависимость от размеров стержня (площади поперечного сечения ${\displaystyle S}$ и длины ${\displaystyle L}$ ) явно, записав коэффициент упругости как

${\displaystyle k={\frac {ES}{L}}.}$

Величина ${\displaystyle E}$ называется модулем упругости первого рода или модулем Юнга и является механической характеристикой материала.

Если ввести относительное удлинение

${\displaystyle \varepsilon ={\frac {\Delta l}{L}}}$

и нормальное напряжение в поперечном сечении

${\displaystyle \sigma ={\frac {F}{S}},}$

то закон Гука для относительных величин запишется как

${\displaystyle \sigma =E\varepsilon \ .}$

В такой форме он справедлив для любых малых объёмов материала.

Также при расчёте прямых стержней применяют запись закона Гука в относительной форме

${\displaystyle \Delta l={\frac {FL}{ES}}.}$

Обобщённый закон Гука

В общем случае напряжения и деформации описываются тензорами второго ранга в трёхмерном пространстве (имеют по 9 компонент). Связывающий их тензор упругих постоянных является тензором четвёртого ранга ${\displaystyle C_{ijkl}}$ и содержит 81 коэффициент. Вследствие симметрии тензора ${\displaystyle C_{ijkl}}$ , а также тензоров напряжений и деформаций, независимыми являются только 21 постоянная. Закон Гука выглядит следующим образом:

${\displaystyle \sigma _{ij}=\sum _{kl}C_{ijkl}\cdot \varepsilon _{kl},}$

где ${\displaystyle \sigma _{ij}}$  — тензор напряжений, ${\displaystyle \varepsilon _{kl},}$  — тензор деформаций. Для изотропного материала тензор ${\displaystyle C_{ijkl}}$ содержит только два независимых коэффициента.

Благодаря симметрии тензоров напряжения и деформации, закон Гука может быть представлен в матричной форме.

Для линейно упругого изотропного тела:

${\displaystyle \varepsilon _{x}={\frac {\sigma _{x}}{E}}-{\frac {\mu }{E}}\sigma _{y}-{\frac {\mu }{E}}\sigma _{z}}$

${\displaystyle \varepsilon _{y}={\frac {\sigma _{y}}{E}}-{\frac {\mu }{E}}\sigma _{x}-{\frac {\mu }{E}}\sigma _{z}}$

${\displaystyle \varepsilon _{z}={\frac {\sigma _{z}}{E}}-{\frac {\mu }{E}}\sigma _{x}-{\frac {\mu }{E}}\sigma _{y}}$

${\displaystyle \gamma _{xy}={\frac {\tau _{xy}}{G}}}$

${\displaystyle \gamma _{yz}={\frac {\tau _{yz}}{G}}}$

${\displaystyle \gamma _{xz}={\frac {\tau _{xz}}{G}}}$

где ${\displaystyle E}$ — модуль Юнга, ${\displaystyle \mu }$ — коэффициент Пуассона, ${\displaystyle G={\frac {E}{2(1+\mu )}}}$ — модуль сдвига.

См. также

• Модуль упругости
• Коэффициент Пуассона
• Тензор напряжений
• Тензор деформации
• Теория упругости

Примечания

Для улучшения этой статьи желательно: Найти и оформить в виде сносок ссылки на независимые авторитетные источники, подтверждающие написанное.